Nan pwosesis kwasans monokristal Silisyòm karbid la, transpò vapè fizik se metòd endistriyalizasyon prensipal aktyèl la. Pou metòd kwasans PVT a,poud carbure Silisyòmgen yon gwo enfliyans sou pwosesis kwasans lan. Tout paramèt yopoud carbure Silisyòmafekte dirèkteman kalite kwasans monokristal ak pwopriyete elektrik yo. Nan aplikasyon endistriyèl aktyèl yo, yo itilize souvanpoud carbure SilisyòmPwosesis sentèz la se yon metòd sentèz oto-pwopagasyon nan tanperati ki wo.
Metòd sentèz oto-pwopagasyon an wo tanperati a itilize tanperati ki wo pou bay reyaktif yo chalè inisyal pou kòmanse reyaksyon chimik yo, epi answit li itilize pwòp chalè reyaksyon chimik li pou pèmèt sibstans ki pa reyaji yo kontinye konplete reyaksyon chimik la. Sepandan, piske reyaksyon chimik Si ak C a libere mwens chalè, yo dwe ajoute lòt reyaktif pou kenbe reyaksyon an. Se poutèt sa, anpil entelektyèl te pwopoze yon metòd sentèz oto-pwopagasyon amelyore sou baz sa a, prezante yon aktivatè. Metòd oto-pwopagasyon an relativman fasil pou aplike, epi divès paramèt sentèz yo fasil pou kontwole yon fason ki estab. Sentèz sou gwo echèl satisfè bezwen endistriyalizasyon an.
Depi 1999, Bridgeport te itilize metòd sentèz oto-pwopagasyon nan tanperati ki wo pou sentetizePoud SiC, men li te itilize etoksisilan ak résine fenòl kòm matyè premyè, ki te koute chè. Gao Pan ak lòt moun te itilize poud Si ak poud C ki gen gwo pite kòm matyè premyè pou sentetizePoud SiCpa reyaksyon tanperati ki wo nan yon atmosfè agon. Ning Lina te prepare gwo patikilPoud SiCpa sentèz segondè.
Founo chofaj endiksyon mwayen frekans ki devlope pa Dezyèm Enstiti Rechèch nan China Electronics Technology Group Corporation an melanje poud silikon ak poud kabòn respire nan yon sèten rapò estekiyometrik epi mete yo nan yon kris grafit.kris grafityo mete l nan yon founo chofaj endiksyon mwayen frekans pou chofe, epi chanjman tanperati a itilize pou sentetize ak transfòme faz ba tanperati a ak faz wo tanperati Silisyòm karbid la respektivman. Piske tanperati reyaksyon sentèz β-SiC nan faz ba tanperati a pi ba pase tanperati volatilizasyon Si a, sentèz β-SiC anba gwo vakyòm ka byen asire oto-pwopagasyon an. Metòd pou entwodui agon, idwojèn ak gaz HCl nan sentèz α-SiC anpeche dekonpozisyon...Poud SiCnan etap tanperati ki wo a, epi li ka efektivman diminye kontni azòt nan poud α-SiC la.
Shandong Tianyue te desine yon founo sentèz, li te itilize gaz silan kòm matyè premyè Silisyòm ak poud kabòn kòm matyè premyè kabòn. Yo te ajiste kantite gaz matyè premyè yo te entwodui a pa yon metòd sentèz de etap, epi gwosè final patikil carbure Silisyòm sentetize a te ant 50 ak 5 000 µm.
1 Faktè kontwòl nan pwosesis sentèz poud
1.1 Efè gwosè patikil poud sou kwasans kristal
Gwosè patikil poud carbure Silisyòm lan gen yon enfliyans trè enpòtan sou kwasans monokristal ki vin apre a. Kwasans monokristal SiC pa metòd PVT a reyalize sitou lè yo chanje rapò molè silikon ak kabòn nan konpozan faz gaz la, epi rapò molè silikon ak kabòn nan konpozan faz gaz la gen rapò ak gwosè patikil poud carbure Silisyòm lan. Presyon total la ak rapò silikon-kabòn sistèm kwasans lan ogmante ak diminisyon gwosè patikil la. Lè gwosè patikil la diminye soti nan 2-3 mm pou rive nan 0.06 mm, rapò silikon-kabòn nan ogmante soti nan 1.3 pou rive nan 4.0. Lè patikil yo piti nan yon sèten mezi, presyon pasyèl Si a ogmante, epi yon kouch fim Si fòme sou sifas kristal k ap grandi a, sa ki pwovoke kwasans gaz-likid-solid, ki afekte polimòfis, domaj pwen ak domaj liy nan kristal la. Se poutèt sa, gwosè patikil poud carbure Silisyòm ki gen gwo pite a dwe byen kontwole.
Anplis de sa, lè gwosè patikil poud SiC yo relativman piti, poud lan dekonpoze pi vit, sa ki lakòz yon kwasans twòp nan kristal monokristal SiC yo. Yon bò, nan anviwònman tanperati ki wo kote kristal monokristal SiC a grandi, de pwosesis sentèz ak dekonpozisyon yo fèt an menm tan. Poud carbure Silisyòm lan ap dekonpoze epi fòme kabòn nan faz gaz la ak faz solid la tankou Si, Si2C, SiC2, sa ki lakòz yon karbonizasyon grav nan poud polikristalin lan ak fòmasyon enklizyon kabòn nan kristal la; yon lòt bò, lè vitès dekonpozisyon poud lan relativman rapid, estrikti kristal kristal monokristal SiC ki grandi a gen tandans chanje, sa ki fè li difisil pou kontwole kalite kristal monokristal SiC ki grandi a.
1.2 Efè fòm kristal poud sou kwasans kristal
Kwasans monokristal SiC pa metòd PVT a se yon pwosesis siblimasyon-rekristalizasyon nan tanperati ki wo. Fòm kristal matyè premyè SiC a gen yon enfliyans enpòtan sou kwasans kristal la. Nan pwosesis sentèz poud lan, faz sentèz tanperati ki ba (β-SiC) ak yon estrikti kib nan selil inite a ak faz sentèz tanperati ki wo (α-SiC) ak yon estrikti egzagonal nan selil inite a pral pwodui prensipalman. Gen anpil fòm kristal carbure Silisyòm ak yon seri kontwòl tanperati ki etwat. Pa egzanp, 3C-SiC pral transfòme an polimòf carbure Silisyòm egzagonal, sa vle di 4H/6H-SiC, nan tanperati ki pi wo pase 1900°C.
Pandan pwosesis kwasans monokristal la, lè yo itilize poud β-SiC pou fè kristal grandi, rapò molè Silisyòm-kabòn nan pi gran pase 5.5, alòske lè yo itilize poud α-SiC pou fè kristal grandi, rapò molè Silisyòm-kabòn nan se 1.2. Lè tanperati a monte, yon tranzisyon faz rive nan kribib la. Nan moman sa a, rapò molè nan faz gaz la vin pi gwo, sa ki pa fezab pou kwasans kristal la. Anplis de sa, lòt enpurte faz gaz, tankou kabòn, Silisyòm, ak diyoksid Silisyòm, yo fasil pou pwodui pandan pwosesis tranzisyon faz la. Prezans enpurte sa yo lakòz kristal la fòme mikwotub ak vid. Se poutèt sa, fòm kristal poud la dwe kontwole avèk presizyon.
1.3 Efè enpurte poud sou kwasans kristal
Kontni enpurte ki nan poud SiC a afekte nikleyasyon espontane pandan kwasans kristal la. Plis kontni enpurte a wo, mwens chans li genyen pou kristal la fòme nikleyasyon espontane. Pou SiC, prensipal enpurte metal yo enkli B, Al, V, ak Ni, ki ka entwodui pa zouti pwosesis pandan pwosesis poud Silisyòm ak poud kabòn. Pami yo, B ak Al se prensipal enpurte akseptè nivo enèji fon nan SiC, sa ki lakòz yon diminisyon nan rezistivite SiC. Lòt enpurte metal yo pral entwodui anpil nivo enèji, sa ki lakòz pwopriyete elektrik enstab nan kristal monokristal SiC nan tanperati ki wo, epi yo gen yon pi gwo enpak sou pwopriyete elektrik substrats kristal monokristal semi-izolasyon ki gen gwo pite, espesyalman rezistivite a. Se poutèt sa, poud carbure Silisyòm ki gen gwo pite dwe sentetize otank posib.
1.4 Efè kontni nitwojèn nan poud sou kwasans kristal
Nivo kontni azòt la detèmine rezistivite substrat monokristal la. Gwo manifaktirè yo bezwen ajiste konsantrasyon dopan azòt nan materyèl sentetik la selon pwosesis kwasans kristal ki matirite a pandan sentèz poud lan. Substra monokristal semi-izolan Silisyòm karbid ki gen gwo pite yo se materyèl ki pi pwomèt pou konpozan elektwonik debaz militè yo. Pou fè substrat monokristal semi-izolan ki gen gwo pite ak rezistivite ki wo ak ekselan pwopriyete elektrik, kontni prensipal azòt enpurte nan substrat la dwe kontwole nan yon nivo ki ba. Substra monokristal kondiktif yo mande pou kontni azòt la kontwole nan yon konsantrasyon relativman wo.
2 Teknoloji kontwòl kle pou sentèz poud
Akòz diferan anviwònman itilizasyon substrats carbure Silisyòm yo, teknoloji sentèz pou poud kwasans yo gen diferan pwosesis tou. Pou poud kwasans monokristal kondiktif tip N, yo bezwen yon pite enpurte ki wo ak yon sèl faz; alòske pou poud kwasans monokristal semi-izolan, yo bezwen yon kontwòl strik sou kontni nitwojèn.
2.1 Kontwòl gwosè patikil poud
2.1.1 Tanperati sentèz
San chanje lòt kondisyon pwosesis yo, yo te pran echantiyon epi analize poud SiC ki te pwodui nan tanperati sentèz 1900 ℃, 2000 ℃, 2100 ℃, ak 2200 ℃. Jan yo montre nan Figi 1, nou ka wè gwosè patikil la se 250~600 μm nan 1900 ℃, epi gwosè patikil la ogmante a 600~850 μm nan 2000 ℃, epi gwosè patikil la chanje anpil. Lè tanperati a kontinye monte a 2100 ℃, gwosè patikil poud SiC la se 850~2360 μm, epi ogmantasyon an gen tandans pou piti. Gwosè patikil SiC a nan 2200 ℃ rete estab nan anviwon 2360 μm. Ogmantasyon tanperati sentèz la soti nan 1900 ℃ gen yon efè pozitif sou gwosè patikil SiC la. Lè tanperati sentèz la kontinye ogmante soti nan 2100 ℃, gwosè patikil la pa chanje anpil ankò. Se poutèt sa, lè tanperati sentèz la fikse a 2100 ℃, yon gwosè patikil ki pi gwo ka sentetize ak yon konsomasyon enèji ki pi ba.
2.1.2 Tan sentèz
Lòt kondisyon pwosesis yo rete menm jan, epi tan sentèz la fikse a 4 èdtan, 8 èdtan, ak 12 èdtan respektivman. Analiz echantiyonaj poud SiC ki pwodui a montre nan Figi 2. Yo jwenn ke tan sentèz la gen yon efè siyifikatif sou gwosè patikil SiC la. Lè tan sentèz la se 4 èdtan, gwosè patikil la sitou distribye nan 200 μm; lè tan sentèz la se 8 èdtan, gwosè patikil sentetik la ogmante anpil, sitou distribye nan anviwon 1 000 μm; pandan tan sentèz la kontinye ogmante, gwosè patikil la ogmante plis toujou, sitou distribye nan anviwon 2 000 μm.
2.1.3 Enfliyans gwosè patikil matyè premyè a
Pandan chèn pwodiksyon materyèl silikon domestik la ap amelyore piti piti, pite materyèl silikon yo ap amelyore tou. Kounye a, materyèl silikon yo itilize nan sentèz yo divize sitou an silikon granulaire ak silikon an poud, jan yo montre nan Figi 3.
Yo te itilize diferan matyè premyè Silisyòm pou fè eksperyans sentèz carbure Silisyòm. Konparezon pwodwi sentetik yo montre nan Figi 4. Analiz la montre ke lè w ap itilize matyè premyè blòk Silisyòm, yon gwo kantite eleman Si prezan nan pwodwi a. Apre yo fin kraze blòk Silisyòm nan pou dezyèm fwa a, eleman Si nan pwodwi sentetik la diminye anpil, men li toujou egziste. Finalman, yo itilize poud Silisyòm pou sentèz, epi se sèlman SiC ki prezan nan pwodwi a. Sa a se paske nan pwosesis pwodiksyon an, gwo gwosè silikon granulaire bezwen sibi reyaksyon sentèz sifas an premye, epi yo sentetize carbure Silisyòm sou sifas la, sa ki anpeche poud Si entèn la konbine plis ak poud C. Se poutèt sa, si yo itilize blòk Silisyòm kòm matyè premyè, yo bezwen kraze li epi answit sibi yon pwosesis sentèz segondè pou jwenn poud carbure Silisyòm pou kwasans kristal.
2.2 Kontwòl fòm kristal poud
2.2.1 Enfliyans tanperati sentèz la
Si lòt kondisyon pwosesis yo pa chanje, tanperati sentèz la se 1500℃, 1700℃, 1900℃, ak 2100℃, epi yo pran echantiyon poud SiC ki pwodui a epi analize li. Jan yo montre nan Figi 5, β-SiC gen yon koulè jòn tè, epi α-SiC gen yon koulè ki pi klè. Lè nou obsève koulè ak mòfoloji poud sentetize a, nou ka detèmine ke pwodwi sentetize a se β-SiC nan tanperati 1500℃ ak 1700℃. Nan 1900℃, koulè a vin pi klè, epi patikil egzagonal parèt, sa ki endike ke apre tanperati a monte a 1900℃, yon tranzisyon faz rive, epi yon pati nan β-SiC konvèti an α-SiC; lè tanperati a kontinye monte a 2100℃, nou jwenn ke patikil sentetize yo transparan, epi α-SiC fondamantalman konvèti.
2.2.2 Efè tan sentèz la
Lòt kondisyon pwosesis yo rete menm jan, epi tan sentèz la fikse a 4 èdtan, 8 èdtan, ak 12 èdtan, respektivman. Yo pran echantiyon poud SiC ki pwodui a epi yo analize li avèk yon difraktomèt (XRD). Rezilta yo montre nan Figi 6. Tan sentèz la gen yon sèten enfliyans sou pwodwi sentetize pa poud SiC la. Lè tan sentèz la se 4 èdtan ak 8 èdtan, pwodwi sentetik la se sitou 6H-SiC; lè tan sentèz la se 12 èdtan, 15R-SiC parèt nan pwodwi a.
2.2.3 Enfliyans rapò matyè premyè
Lòt pwosesis yo rete menm jan, yo analize kantite sibstans silikon-kabòn yo, epi rapò yo se 1.00, 1.05, 1.10 ak 1.15 respektivman pou eksperyans sentèz yo. Rezilta yo montre nan Figi 7.
Nan spectre XRD a, nou ka wè ke lè rapò silikon-kabòn nan pi gran pase 1.05, gen yon depase Si ki parèt nan pwodwi a, epi lè rapò silikon-kabòn nan mwens pase 1.05, gen yon depase C ki parèt. Lè rapò silikon-kabòn nan se 1.05, kabòn lib ki nan pwodwi sentetik la elimine fondamantalman, epi pa gen silikon lib ki parèt. Se poutèt sa, rapò kantite silikon-kabòn nan ta dwe 1.05 pou sentetize SiC ki gen gwo pite.
2.3 Kontwòl kontni nitwojèn ki ba nan poud
2.3.1 Matyè premyè sentetik
Matyè premyè yo itilize nan eksperyans sa a se poud kabòn ki gen gwo pite ak poud silikon ki gen gwo pite ak yon dyamèt medyàn 20 μm. Akòz ti gwosè patikil yo ak gwo sifas espesifik yo, yo fasil pou absòbe N2 nan lè a. Lè y ap sentetize poud lan, li pral pran fòm kristal poud lan. Pou kwasans kristal tip N yo, dopan inegal N2 nan poud lan mennen nan yon rezistans inegal nan kristal la e menm chanjman nan fòm kristal la. Kontni azòt nan poud sentetize a apre yo fin entwodui idwojèn lan siyifikativman ba. Sa a se paske volim molekil idwojèn yo piti. Lè N2 ki adsorbe nan poud kabòn lan ak poud silikon an chofe epi dekonpoze sou sifas la, H2 difize nèt nan espas ki genyen ant poud yo ak ti volim li, ranplase pozisyon N2 a, epi N2 chape soti nan kribib la pandan pwosesis vakyòm nan, reyalize objektif pou retire kontni azòt la.
2.3.2 Pwosesis sentèz
Pandan sentèz poud carbure Silisyòm nan, piske reyon atòm kabòn yo ak atòm azòt yo sanble, azòt pral ranplase espas vid kabòn nan carbure Silisyòm, kidonk ogmante kontni azòt la. Pwosesis eksperimantal sa a adopte metòd entwodiksyon H2, epi H2 reyaji avèk eleman kabòn ak silikon nan kribib sentèz la pou jenere gaz C2H2, C2H, ak SiH. Kontni eleman kabòn nan ogmante atravè transmisyon faz gaz, kidonk diminye espas vid kabòn yo. Objektif retire azòt la reyalize.
2.3.3 Kontwòl kontni nitwojèn nan pwosesis la
Yo ka itilize kribib grafit ki gen gwo porosit kòm sous C adisyonèl pou absòbe vapè Si nan konpozan faz gaz yo, diminye Si nan konpozan faz gaz yo, e konsa ogmante C/Si. An menm tan, kribib grafit yo kapab reyaji tou avèk atmosfè Si pou jenere Si2C, SiC2 ak SiC, ki ekivalan a atmosfè Si ki pote sous C soti nan kribib grafit nan atmosfè kwasans lan, ogmante rapò C a, epi ogmante tou rapò kabòn-Silisyòm. Se poutèt sa, yo ka ogmante rapò kabòn-Silisyòm lan lè yo itilize kribib grafit ki gen gwo porosit, diminye espas vid kabòn yo, epi reyalize objektif pou retire azòt.
3 Analiz ak konsepsyon pwosesis sentèz poud monokristal
3.1 Prensip ak konsepsyon pwosesis sentèz la
Atravè etid konplè ki mansyone pi wo a sou kontwòl gwosè patikil, fòm kristal ak kontni nitwojèn nan sentèz poud lan, yo pwopoze yon pwosesis sentèz. Yo chwazi poud C ak poud Si ki gen gwo pite, epi yo melanje yo respire epi yo chaje yo nan yon kribib grafit dapre yon rapò Silisyòm-kabòn 1.05. Etap pwosesis yo divize prensipalman an kat etap:
1) Pwosesis denitrifikasyon nan tanperati ki ba, pase yon aspiratè jiska 5×10-4 Pa, answit mete idwojèn, fè presyon chanm lan rive nan anviwon 80 kPa, kenbe l pandan 15 minit, epi repete l kat fwa. Pwosesis sa a ka retire eleman nitwojèn ki sou sifas poud kabòn ak poud silikon.
2) Pwosesis denitrifikasyon nan tanperati ki wo, pase aspirasyon a 5×10-4 Pa, answit chofe a 950 ℃, epi ajoute idwojèn, fè presyon chanm lan rive nan anviwon 80 kPa, kenbe pandan 15 minit, epi repete kat fwa. Pwosesis sa a ka retire eleman nitwojèn ki sou sifas poud kabòn ak poud silikon, epi kondwi nitwojèn nan chan chalè a.
3) Sentèz nan pwosesis faz tanperati ki ba, evakye a 5 × 10-4 Pa, answit chofe a 1350 ℃, kenbe pou 12 èdtan, answit ajoute idwojèn pou fè presyon chanm lan rive nan anviwon 80 kPa, kenbe pou 1 èdtan. Pwosesis sa a ka retire azòt ki te evapore pandan pwosesis sentèz la.
4) Sentèz pwosesis faz tanperati ki wo, ranpli ak yon sèten rapò koule volim gaz melanje idwojèn ak agon ki gen gwo pite, fè presyon chanm lan rive nan anviwon 80 kPa, ogmante tanperati a a 2100 ℃, kenbe l pou 10 èdtan. Pwosesis sa a konplete transfòmasyon poud carbure Silisyòm soti nan β-SiC rive nan α-SiC epi konplete kwasans patikil kristal yo.
Finalman, tann tanperati chanm lan refwadi nan tanperati chanm, ranpli li jouktan li rive nan presyon atmosferik la, epi retire poud lan.
3.2 Pwosesis apre-pwosesis poud lan
Apre poud lan fin sentetize pa pwosesis ki anwo a, li dwe sibi yon pwosesis apre pwosesis la pou retire kabòn lib, silikon ak lòt enpurte metal epi pou evalye gwosè patikil yo. Premyèman, yo mete poud sentetize a nan yon moulen boul pou kraze li, epi yo mete poud silikon karbi kraze a nan yon founo mouf epi yo chofe li a 450 °C ak oksijèn. Kabòn lib ki nan poud lan okside pa chalè pou jenere gaz kabonik ki soti nan chanm lan, konsa yo retire kabòn lib la. Apre sa, yo prepare yon likid netwayaj asid epi yo mete l nan yon machin netwayaj patikil silikon karbi pou netwaye li pou retire kabòn, silikon ak enpurte metal rezidyèl ki pwodui pandan pwosesis sentèz la. Apre sa, yo lave asid rezidyèl la nan dlo pi epi yo seche li. Yo pase poud seche a nan yon ekran vibran pou seleksyon gwosè patikil pou kwasans kristal.
Dat piblikasyon: 8 Out 2024